穿孔回流焊接工艺技术

　　引言

 

　　由于电子产品越来越重视小型化、多功能，使电路板上元件密度越来越高，许多单面和双面板都以表面贴装元元件 (SMC/SMD) 为主。但是，由于固有强度、可靠性和适用性等因素，某些穿孔元件仍然无法片式化，特别是周边连接器。在以表面贴装型元件为主的电路板上使用穿孔元件的传统工艺，其缺点是单个焊点费用很高，因为其中牵涉到额外的处理步骤，包括波峰焊和手工焊，而且波峰焊接有许多不足之处：不适合高密度元件焊接;桥接、漏焊较多;需喷涂助焊剂;印制板受到较大热冲击翘曲变形。

 

　　穿孔回流焊接(pin-in-hole reflow,简称 PIHR)的工艺技术如图 2，可实现在单一步骤中同时对穿孔元件和表面贴装元件(SMC/SMD)进行回流焊。相对传统工艺，在经济性、先进性上都有很大的优势。所以，PIHR 工艺是电子组装中的一项革新，必然会得到广泛的应用。

 

　　PIHR 工艺与传统工艺相比具有以下优势：

 

　　1、首先是减少了工序，省去了波峰焊这道工序，多种操作被简化成一种综合的工艺过程;

 

　　2、需要的设备、材料和人员较少;

 

　　3、可降低生产成本和缩短生产周期;

 

　　4、可降低因波峰焊而造成的高缺陷率，达到回流焊的高直通率。;

 

　　5、可省去了一个或一个以上的热处理步骤，从而改善 PCB 可焊性和电子元件的可靠性，等等。

 

　　尽管用穿孔回焊可得到良好的工艺效果，但还是存在一些工艺问题。

 

　　1、在穿孔回焊过程中焊锡膏的用量比较大，由于助焊剂挥发物质的沉积会增加对机器的污染，因而回流炉具有有效的助焊剂管理系统是很重要的;

 

　　2、此外，许多穿孔元件尤其是连接器无法承受回流焊温度;

 

　　3、由于要同时兼顾到穿孔元件和贴片元件，使工艺难度增加。

 

　　本文重点是确定对 PIHR 工艺质量有明显影响的各种因素，然后将这些因素划分为材料、设计或与工艺相关的因素，揭示在实施高良率 PIHR 工艺之前必须清楚了解的关键问题。

 

　　1. 穿孔回流焊焊点形态要求

 

　　2. 获得理想焊点的焊锡膏体积计算

 

　　3. 焊锡膏沉积方法4. 设计和材料问题

 

　　5. 贴装问题

 

　　6. 回流温度曲线开发

 

　　下面将逐项予以详细描述。

 

　　一、穿孔回流焊焊点形态要求：

 

　　首先，应该确定 PIHR 焊点的质量标准，建议参照业界普遍认同的焊点质量标准 IPC-A-610D，根据分类 (1、2 或 3 类)定出目视检查的最低可接受条件。企业可在此标准基础上，进行修改以适应其工艺水平。

 

　　PIHR 理想焊点模型是一个完全填充的电镀穿孔 (Plated Through Hole, PTH)，在 PCB 的顶面和底面带有焊接圆角(如图 3)。

 

　　IPC-A-610D 对穿孔焊接点的可接受标准是底部焊接圆角的存在和焊料充满至少 75%板厚的穿孔。PIHR 工艺开发的主要技术挑战是，如何在具有高密度引脚元件的穿孔里面和周围印刷足够的锡膏，使得在底面形成可

 

　　接受的焊接点，以满足 IPC-A-610D 的要求。在 PIHR 工艺中，在顶面形成焊接圆脚不是问题，因为锡膏是从顶部印刷的。

 

　　二、理想焊点的焊锡膏体积计算：

 

　　PIHR 工艺成功的关键是精确计算印刷所需要的锡膏量，焊锡膏体积计算首先应使用理想的固态金属焊点，所谓理想的焊点如图 3 所示。由于冶金方法、引脚条件、回流特点等因素的变化，无法准确地预测焊接圆角的

 

　　形状，使用圆弧描述焊脚是适当和简单的近似方法，再将焊脚区域旋转以确定固态焊点的体积。

 

　　固态焊料体积=顶面和底面的焊点体积+(电镀穿孔的体积-穿孔中元件引脚的体积)

 

　　当计算出焊点的固态焊料体积后，再计算所需焊锡膏的体积，这是合金类型、流量密度、以及焊锡膏中金属重量百分比的函数。一般认为印刷用焊锡膏内的焊料只占大约 50%的体积，另外 50%的体积是助焊剂、增稠

 

　　剂、流变增强剂等，它们在焊接温度下会挥发消失在空气中。所以，理想焊点的焊锡膏体积=固态焊料体积×2

 

　　如果采用点锡膏工艺，焊料的体积比更低，焊锡膏的体积还需增加，大约是：理想焊点的焊锡膏体积=固态焊料体积×2.5

 

　　三、焊料沉积方法：

 

　　对于 PIHR 工艺，焊料沉积方法包括钢网印刷、自动点焊锡膏，以及预置焊料片。

 

　　A、钢网印刷

 

　　钢网印刷是将焊锡膏沉积于 PCB 的首选方法。成功实施钢网印刷焊料沉积方法，须关注以下问题：

 

　　1、钢网厚度是关键的参数，因为焊料体积与钢网开孔面积和厚度是函数关系。

 

　　2、使用钢质刮刀以避免印刷时相对较大的钢网开孔的焊锡膏被挖取的情况。

 

　　3、优先考虑定制设计的板支撑顶模，以适应 100% 以上的孔充填。

 

　　4、为了达到所希望的焊锡圆角体积，可考虑将焊锡膏同时印刷在板的顶面和底面。

 

　　5、DEK 最近的研究是使用内置式刮板通过直接压力将锡膏印刷在板上的印刷机。在这个方法中，没有使用传统的刮板，这个锡膏印刷方法可以保证在穿孔中充满锡膏。

 

　　常见的穿孔印刷方法有以下几种：

 

　　1、普通钢网，单面一次印刷：

 

　　最便利和最高成本效益的工艺是设计一个同时适合 SMC/SMD 和穿孔元件的钢网(如图 4)。钢网厚度优先考虑适合板上 SMC/SMD。需要的焊锡膏量一部分被印进 PTH，其余过印在 PCB 表面。这样做虽然简便，但是很容易造成锡量不足，我们可以通过双向印刷、增加穿孔直径、减小锡膏粘度、减小刮刀角度(如图 8)等方法来增加穿孔中的锡膏量。

 

　　2、台阶式钢网，单面一次印刷

 

　　还有一种选择，就是采用台阶式钢网(如图 9)，其中较厚的区域专为穿孔元件而设。所选择的工艺随特定装配的技术组合状况而改变。最后，进行回流焊接。该方法在获得足够焊接强度的同时，对元件的热冲击较小，而且操作成本也较低。

 

　　3、套印，单面二次印刷

 

　　对于既有需要较薄钢网的 SMC/SMD 又有对焊锡膏量要求大的多列异形/穿孔元件的情况，可能需要两次钢网印刷工艺(如图 10)。这个工艺过程必须使用两台排成一列的钢网印刷机。第一块钢网将焊锡膏印刷在表面贴装焊盘上;第二块钢网较厚，它的底部错开第一次印刷的位置, 不影响前次印好的焊锡膏。

 

　　4、普通钢网，双面二次印刷

 

　　对于既有需要较薄钢网的 SMC/SMD 又有对焊锡膏量要求大的多列异形/穿孔元件的情况，也可以不采用套印钢网，而采用普通钢网进行双面二次印刷(如图 11)。这个工艺过程也要使用两台排成一列的钢网印刷机。

 

　　第一块钢网将焊锡膏印刷在正面贴装元件和插装元件的焊盘上;第二块钢网将焊锡膏只印刷在背面插装元件的焊盘上, 以满足大的多列异形/穿孔元件的焊锡膏锡量。

 

　　B、自动点焊锡膏

 

　　自动点焊锡膏是小批量机种生产的最佳选择，它能很好地为穿孔和异形元件沉积体积正确的焊锡膏。它提供了钢网印刷可能无法实现的大量焊锡膏沉积的灵活性和能力。该技术也能将焊锡膏沉积于已经进行部分装配的PCB。为裸露的 PTH 点焊锡膏时，建议使用比 PTH 直径略大的喷嘴。这样，在点焊锡膏时强迫焊锡膏紧贴 PTH 的孔壁，并使材料从 PTH 的底部稍稍挤出，然后从点焊锡膏相反的方向将元件插入(如图 12)。如

 

　　果使用比 PTH 直径小的喷嘴，焊锡膏会从孔中排出并造成严重的焊锡膏损失。另一种工艺步骤就是插入元件并从引脚涂敷焊锡膏。喷嘴被设计成围绕元件引脚的弯形。焊锡膏被挤向引脚周围并进入 PTH。

 

　　C、预置焊料片

 

　　预成形焊片是提供形成高质量互连所需焊料体积的另一种选择。目前已经有公司可以提供引脚敷有助焊剂的预成形焊片，如同片式元件一样进行编带封装，可以使用贴片机进行高速取放。回流焊时，附加的预成形焊片与焊锡膏一起熔化，以获得精确的焊料体积。

 

　　四、设计和材料问题

 

　　如果要应用穿孔回流焊技术，也需要对元件、PCB 设计、钢网设计等方面提出一些不同于传统工艺的要求。

 

　　a)元件设计：

 

　　穿孔元件要求能承受回流炉的回流温度的标准，最小为 230 度/65 秒(锡铅工艺)或 260 度/65 秒(无铅工艺)。以下是一系列能够承受回流焊温度的树脂：

 

　　• 液晶聚合物 (LCP) - 相对昂贵，在薄壁铸模中能保持紧密公差，并具有很好的薄壁硬度

 

　　• 聚亚苯基硫化物 (PPS) - 具有很好的流动性

 

　　• 聚二甲基环化己烯对苯二酸酯 (PCT)

 

　　• Polyphthalamide (PPA)

 

　　为了避免元件引脚带走焊锡膏，造成锡量不足，元件引脚的末端应设计成尖头形状(如图 15)。同时引脚有一个正确的长度非常重要，当它们进入生产过程之前，必须被预先剪切，以达到比板厚多 1.524 毫米或更短的条件。如果引脚过长，会顶走焊锡膏，造成焊点锡量不足。

 

　　另一项元件要求是元件距离 PCB 表面具有足够和正确定位的离板间隙，离板间隙可使熔化的焊锡膏从其印刷位置自由地流向 PTH(如图 17)。锡珠和桥连是由不正确的元件本体设计而引发的缺陷。

 

　　b)PCB 设计

 

　　PCB 金属化孔的直径应比圆形引脚的直径大 0.3-0.4 毫米，比方形引脚的对角线大 0.1-0.15 毫米。PCB 钻孔的尺寸应再大 0.15 毫米，这是电镀补偿。

 

　　钢网厚度：选择钢网厚度必须经过仔细的考虑，一般使用 0.15mm-0.20mm 的厚度。有一点必须认识的，是钢网开孔面积是元件间距、列数、以及相邻印锡间距的函数。

 

　　刮印方向：在设计钢网穿孔时，重要的是要考虑刮刀的印刷方向。对于较小直径 PTH，这种作用更明显，如果刮印方向与两列 PTH 穿孔垂直，将使得邻近的两列 PTH 穿孔充填状况不同。如果将印刷方向旋转 90 度，使得刮印方向与两列 PTH 穿孔一致，便可消除这种作用。

 

　　印锡间距：相邻焊盘之间保持分开的焊锡膏沉积，将避免最热点从相邻焊盘吸收焊料，导致相邻焊盘的锡量不足。焊锡膏加热时有坍塌或溢散的趋势，并且粘度降低，使相邻焊盘间焊锡膏坍塌粘连的可能性增大。可进行反复实验来将印锡区域、高度及焊锡膏配方与相邻焊盘印锡间距联系起来，确定最佳的相邻焊盘印锡间距设计指引。

 

　　开孔大小：钢网漏孔总是比焊盘要大，部分焊锡膏将涂在阻焊层上，需确认回流焊后不会出现锡珠。为了很好地满足焊锡充填 PCB 穿孔，确定涂敷焊料体积和 PCB 穿孔充填之间的关系是必须的。通过反复实验，可以绘制出涂敷焊料体积和 PCB 穿孔充填程度之间的曲线。

 

　　开孔形状：针对 PCB 上的特大孔，在其整个直径范围不应有完全的钢网开孔，应该使用分解饼形。圆形区域应该分裂成四个饼形部分，在孔的边缘形成倾斜;或者如果空间允许，将保持孔完全封闭，并完全套印焊锡膏敷层。一些元件如微型 DIN 连接器 (插 PC 鼠标用) 是屏蔽型的。金属屏蔽属于可焊表面。如果焊锡膏敷层触及该材料，就有可能造成焊料湿润元件壳体而非 PTH 和引脚。但必须注意的是套印焊锡膏敷层在回流焊时，在被拖回至 PTH 时会时而变短、时而变高，高度的增加会导致焊锡膏敷层与可焊的屏蔽部分接触。因此，在确定焊锡膏敷层位置时必须考虑元件的设计。

 

　　图 19 常见钢网开孔形状

 

　　五、贴装问题

 

　　目前有一些自动贴片机能够贴装异形和穿孔元件，元件可采用管式、卷轴式、盘式等包装，送料器直接安装在贴装机上。自动贴装具有精确、可靠和高速的优点，而且可以进行自动贴装的元件也越来越多。

 

　　手工贴装是无奈的选择。使用辅助定位夹具将有助于元件对位，提高手工贴装效率。手工贴装的两项益处在于没有设置时间和没有设置成本。手工贴装的缺点在于速度低，并且精度不稳定。

 

　　六、回流温度曲线开发

 

　　回流炉必须能够为整个元件和所有引脚位置提供足够的热量 (温度)。与元件上装配的其它 SMC/SMD 相比，许多异形/穿孔元件较高和/或具有较大的热容量。分立的顶部和底部加热控制也有助于降低 PCB 元件上的温差 ΔT。对于带有高堆叠 25 脚 DSUB 连接器的计算机主板，元件壳体温度高得不能接受。解决这个问题的方法是增加底部温度而降低顶部温度。焊料液相线之上的时间应该足够长，从而使助焊剂从 PTH 中挥发，可能比标准回流焊的温度曲线要长。

 

　　大风量强制热风对流回流炉更适合在 PIHR 工艺中使用，它具有较高热量传递率，可以保证穿孔内焊锡膏的所有部分都会经历回焊良好的正确热量曲线。

 

　　总结

 

　　本文确定了在实施 PIHR 工艺之前或过程中需要考虑的关键问题。PIHR 工艺步骤提供了某些突出优点，包括能够同时进行 THC 和 SMC/SMD 回流焊;由于减少了工艺步骤而提高了产出;以及减少场地使用面积等。工艺工程师需要考虑包括材料、工艺、设计和可靠性等方面的问题。材料相关因素与 PCB、元件和焊锡膏相关;工艺相关问题将与通过印刷或点锡的焊锡膏敷层、元件插装和回流焊等因素有关;设计相关的问题包括钢网设计和元件特性;至于可靠性则可通过加速寿命周期试验等传统方式来评估。PIHR 工艺可广泛应用于汽车、通信、消费电子产品和计算机等领域。目前日本 SONY 公司有在 1—2 年内以穿孔回流焊全面代替波峰焊的计划，而我国生产调谐器的企业和高技术、高附加值的一些通信产品已率先使用 PIHR 工艺，预计不远的将来这项新技术将会得到普遍采用。本文只是对穿孔回流焊的基本技术要求作了说明，有许多细节问题还有待进一步试验和总结。